射频辨认（RFID）技能是选用无线射频的办法完成双向数据交换并辨认身份，RFID定位正是运用了这一辨认特性，运用阅读器和标签之间的通讯信号强度等参数进行空间的定位。
RFID标签按供电办法分为有源和无源2种［1］，无源标签经过捕获阅读器发射的电磁波获取能量，具有成本低、尺度小的优势；有源标签一般选用电池供电，具有通讯间隔远、读取速度快、可靠性好等长处［2］，但为了满意煤矿井下定位，需求考虑低功耗规划以增强电池的续航才能。本文从有源标签的规划理念动身，针对小规模空间RFID定位的需求，依据低功耗、高功率的准则进行RFID标签的规划，并论述了其硬件组成、软件流程和防抵触才能。
2.体系硬件规划
2.1 体系结构
有源标签在规划中除了需求考虑低成本、小型化之外，最重要的是要采纳低功耗规划。
RFID标签从全体结构上看，一般包含2个部分：操控端和射频端，因而在挑选操控芯片和射频芯片时需求优先考虑其低功耗功用。本文在此根底上挑选了 MSP430F2012操控芯片和nRF24L01射频芯片；天线则选用了Nordic公司的PCB单端天线；标签选用3V-500mAh扣子电池供电。体系作业在2.4GHz频段。体系结构框图如图1所示。
2.2 芯片挑选及低功耗规划
TI推出的MSP430系列单片机是16位Flash型RISC指令集单片机［3］，以超低功耗出名业界。
MSP430F2012芯片作业电压仅为1.8~3.6V，掉电作业形式下耗费电流为0.1μA，等候作业形式下耗费电流仅为0.5μA.本规划中，MSP430F2012被长期置于等候作业形式，经过中止唤醒的办法使其时刻短进入作业状况，以节约电能。MSP430F2012具有3组独立的时钟源：片内VLO、片外晶振、DCO.其间，片外时钟根据外部晶振；DCO由片内产生，且频率可调。明显，主体系时钟频率的凹凸决议着体系的功耗，尤其是挑选了高速片外晶振的情况下，因而，MSP430F2012供给了在不一起钟源间进行切换的功用。在实践规划中，经过实时从头装备根底时钟操控寄存器以完成主体系时钟和辅佐体系时钟间的切换，既不失功用，又节约了能耗。
MSP430F2012具有LPM0~LPM4五种低功耗形式，合理的运用这五种预设的形式是下降MCU功耗的要害，本规划中，MSP430F2012 在上电装备结束后将直接进入LPM3形式，一起敞开中止，等候外部中止信号。此外，因为MSP430F2012是一款多功用通用单片机，片内集成了较多功用模块，在上电装备时即中止一切不运用的功用模块也能起到下降体系功耗的意图。
nRF24L01是Nordic公司开发的2.4GHz超低功耗单片无线收发芯片，芯片有125个频点，可完成点对点和点对多点的无线通讯，最大传输速率可达2Mbps，作业电压为1.9~3.6V［4］。为了凸显其低功耗功用，芯片预置了两种待机形式和一种掉电形式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM形式及增强型ShockBurstTM形式［4］，真实完成了低速进高速出，即MCU将数据低速送入nRF24L01片内 FIFO，却以1Mbps或2Mbps高速发射出去。本规划正是运用了增强型ShockBurstTM形式，使得MSP430F2012即便在 32768Hz低速晶振下也能经过射频端高速的将数据发射出去，既下降了功耗，又进步了功率，增强了体系防抵触和敷衍移动方针才能。
2.3 电路规划
本体系首要运用于RFID定位方面，除了简略的辨认外，要点在于阅读器对标签信号强度的丈量，因而阅读器与标签间不会有大数据量频频的读写操作，在电路规划时可省掉片外EEPROM.一起还能够省去稳压电路以节约静态电流耗费。硬件原理图如图2所示。
3.体系软件规划
3.1 软件流程
本体系归于双向通讯体系，标签在发送数据前处于监听状况，nRF24L01的接纳功用被翻开，一起MSP430F2012处于LPM3形式，直至接纳到阅读器播送的“开端”指令，并经过中止将MSP430F2012唤醒。MSP430F2012被中止唤醒后开端判别指令是否正确，假如正确则进入正常发送周期，不然回来LPM3形式。
考虑到实时定位的需求，体系不能像一般的RFID标签那样只是进行有限次验证，本体系选用等间隔持续发送的形式，便于阅读器实时监测方针方位，体系设定的正常发送周期为500ms，由MSP430F2012的Timer_A守时，500ms守时开端后，标签ID经过SPI发送到 FIFO，nRF24L01选用了增强型ShockBurstTM形式，发送失利则会持续重发，标签ID发送结束后，MSP430F2012判别守时器是否超时，一旦超时则进入下个发送周期，不然处于等候状况直至超时。当阅读器中止播送“开端”指令，MSP430F2012从头进入LPM3形式以下降功耗。
体系完好流程如图3所示。
3.2 防抵触规划
nRF24L01自带载波检测功用，在发送数据前先转入接纳形式进行监听，承认要传输的频率通道未被占用才发送数据，运用此功用可完成简略的硬件防抵触。
考虑到本体系选用了500ms的一致发送间隔，在被定位方针很多的场合有或许产生辨认抵触，因而需求在程序中合理的添加防抵触算法。ALOHA算法首要用于有源标签，其原理便是，一旦信源产生数据包磕碰，就让信源随机延时后再次发送数据。考虑到程序的复杂性必然引起处理时刻的添加，也会带来额定的能耗，本体系选用了较为简略的纯ALOHA算法，即在每个500ms计时周期内随机发送标签ID，这就需求在程序中刺进一个随机延时，延时时长的挑选经过一个随机值函数来完成，随机延时规模为0~300ms.这种简略的防抵触算法既简化了指令，又能大幅下降抵触概率。
别的，n R F 2 4 L 0 1传输速率为1 M b p s或2Mbps，单次发送一个数据包，单个数据包最大32bytes，假定标签ID为32bytes，以2Mbps速率发送一次ID的信号宽度（传输时刻）约为100~150μs，相关于500ms的整个守时周期而言微乎其微，但仍有或许呈现发送饱满的状况，这时能够恰当的延伸计时周期以添加信道容量。较快的传输速率有助于移动方针的辨认和定位，而较短的数据长度也能明显进步标签根据随机延时的防抵触才能，因而尽或许将标签ID的长度约束在 32bytes以内。
4.测验成果
关于RFID体系而言，最重要的参数便是读取间隔［5］和有用读取率。本次试验测验设备为标签3枚，阅读器一台，PC一台，阅读器根据 MSP430F149和nRF24L01芯片规划，并经过RS232串口与PC进行通讯。测验中，分别将3枚标签置于间隔阅读器15m、30m、45m 处，便签ID分别为AABBCCDDFFFFFF01、AABBCCDDFFFFFF02、AABBCCDDFFFFFF03，每枚标签进行一小时（约 7200次）接连读取测验。
从表1测验成果看，30m以内为标签正常读取间隔，可满意一般的室内使用，间隔为45m 时读取率则明显下降。因为天线的规划对体系功用有较大影响［6］，经过改善标签的天线以获取较大输出功率，改善阅读器端天线接纳灵敏度也能明显进步体系功用。
5.结束语
本文对根据MSP430F2012和nRF24L01的有源RFID标签的规划进行了具体的介绍。对2款芯片的低功耗功用进行了剖析并提出了自己的低功耗规划方案；结合了RFID定位的特色，介绍了有别于一般以辨认为首要意图的标签的规划办法，剖析了其软件规划流程；针对一般空间内被辨认方针很多且常处于移动状况的特色，介绍了体系的防抵触才能。整个体系电路简略，尺度小，功耗低，经过杰出匹配的天线通讯间隔可达几十米，能够满意煤矿职业井下一般小规模空间内的定位需求。
